CN111588471A - 血管介入手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种血管介入手术机器人，属于医疗设备领域。它用作代替人手进行血管介入手术，包括推进装置、捻旋装置、导丝引导装置、压丝装置、床边定位装置五个模块，推进装置带动捻旋装置夹持导丝导管进行直线移动。捻旋装置带动与大齿轮同轴的二指卡盘夹持导丝导管进行旋转，二指卡盘通过开合对导丝导管进行夹紧。导丝引导装置带动凸轮对引导轮进行调距，适应导丝导管直径。压丝装置由电磁铁控制，通电时两个移动指闭合，夹紧导丝固定位置；断电时移动指分开，导丝可自由移动。床边定位装置包括X轴与Y轴两个移动装置，X轴移动装置通过滚珠丝杠带动Y轴移动装置进行直线移动。Y轴移动装置通过滚珠丝杠带动血管介入手术机器人进行移动定位。

Description

血管介入手术机器人

技术领域

本发明涉及一种微创血管介入手术机器人，属于医疗设备领域。

背景技术

血管介入手术是指医生在数字减影血管造影机(DSA)的导引下，操纵导管在人体血管内运动，对病灶进行治疗，达到栓塞畸形血管、溶解血栓、扩张狭窄血管等目的。与传统“开放”手术相比，本方法具有创伤小、安全有效、术后恢复快、并发症少等优点。血管介入手术的主要步骤就是将导管推送到病灶位置，并进行相应的诊断和治疗。因此，能否将导管送到精确的病灶位置直接影响整个手术的质量和患者的健康。人工介入导管存在很多弊端：(1)医生在X射线环境下工作，长期操作对身体伤害很大；(2)现有手术方法技巧性强，风险性高，专科医生手术培训时间长，限制了该项技术的广泛应用；(3)由于操作复杂、手术时间长，医生疲劳和人手操作不稳定等因素会直接影响手术质量，进而影响患者生存质量。这些缺点限制了血管介入手术的广泛应用，机器人技术与血管介入技术有机结合是解决上述问题的重要途径。

本发明针对血管介入手术设计一款手术机器人，以减轻医生的负担与手术过程中医生受到的辐射，同时提高手术的安全性。本发明通过机械结构对手术过程中人手的推拉、捻搓、压丝等操作步骤进行模拟，且更加安全有效。

发明内容

本发明提出了一种血管手术机器人的模型，其中共包括五个功能模块：推进装置、捻旋装置、导丝引导装置、压丝装置以及床边定位装置。推进装置实现导管导丝的直线进退；捻旋装置实现导丝的旋转；引导装置用于引导导管导丝的前进与后退；压丝装置的作用是在导丝到达病灶之后固定其位置，以便于后续导管、球囊、支架等介入器械的进入。各个功能模块共同协调作用，可以有效实现血管介入手术机器人的精确导丝导管介入的作用。

优选的，装置的推进装置主要通过滚珠丝杠、直线导轨以及电机实现。位于装置最后的步进电机直接驱动滚珠丝杠的旋转，步进电机通过机架与主体底壳固定，丝杠上安装的滑台通过两侧的直线导轨进行限位与导向，使其能够进行前后移动，这样就能够带动导丝进行前后的推拉。该推进装置实用步进电机驱动滚珠丝杠的旋转带动滑台的移动，使用直线导轨进行限位和导向，可以实现导管导丝直线方向的准确前进和后退。

优选的，捻旋装置安装在滑台上，捻旋功能主要通过一对齿轮副的周向旋转实现，装置包括一对齿轮副、驱动电机以及二指卡盘。其中二指卡盘通过上下开合固定导管导丝。捻旋装置可以很好的实现导管导丝的旋转运动，较高的还原了人手操作的搓捻动作。

优选的，导丝引导装置安装在滑台上，引导装置位于介入手术机器人的最前端。装置主要通过一对滚轮进行引导，并利用凸轮对其进行中心距控制，凸轮由驱动电机直接控制。导丝引导装置可以精确的对导丝的位置进行调节控制，实现导丝导管平顺的进行直线移动。并起到支撑导丝导管的作用。

在球囊、支架以及其他介入器材进入动脉前，需要先放入引导导丝，在引导导丝到达病灶之后，再通过微导管将球囊、支架送达病灶。为了保证导丝末端的位置不变，在人工手术当中需要医生边移动导丝边进行压丝操作，防止其随球囊导管一起轴向移动，这种细微的操作极度考验医生的手术经验，也增加了医生的劳动强度和手术的不确定度。因此在手术当中边移动导管边进行压丝操作是保证手术成功的关键之一。

优选的，设计中压丝装置运用二指电磁夹实现，当线圈通电时，衔铁由于电磁吸引带动楔形块向上运动，此时两块夹板靠拢，电磁夹处于“合”的状态；当线圈断电时，衔铁不再受到电磁吸引力，复位弹簧拉动楔形块向下运动，两块夹板此时向两侧移动，电磁夹处于“开”状态。通过设计的压丝装置，可以实时对导丝导管进行压丝动作，确保导丝导管到达的位置精准，解放了医生手动压丝动作，避免医生长时间压丝带来的操作疲劳。

优选的，本发明中的床边定位装置分为X轴移动装置和Y轴移动装置两部分组成，定位装置通过两个自由度的移动实现导丝递送装置与患者的定位。通过两个方向的移动可以适应患者不同身***置的导丝动作。

有益效果在于：

1、血管介入手术机器人共有5个功能模块，各个功能模块共同协调作用，可以代替医生手术动作，将导丝、导管安全准确的介入血管的相应的位置。

2、推进装置使用步进电机驱动滚珠丝杠的旋转带动滑台的移动，滑台沿着直线导轨前景或者后退进行推送或抽出导丝、导管，可以实现导丝、导管沿着直线方向前进和后退，通过控制滑台的移动速度可以有效调整导丝、导管推送的速度。

3、捻旋装置通过电机带动导丝、导管进行周向的旋转运动，可以很好的实现导丝、导管的旋转运动，较高的还原了人手操作的搓捻动作，通过控制旋转的角度可以有效调整导丝、导管最前端弯曲部位的方向，在遇到血管分叉路口时进入预定的血管中。

4、导丝引导装置主要通过一对引导轮进行引导，引导轮安装在下端导轨的直线滑台上，可以随滑台进行水平方向移动，通过调整两个引导轮的中心距，可以控制引导装置夹紧不同直径尺寸的导丝导管。引导轮上设计的凹槽结构可以很好的适应导丝、导管的圆形结构。引导轮上安装有一次性轮套，每次手术可以更换新的轮套，安全卫生。导丝引导装置实现导丝、导管平顺的进行直线移动。并起到支撑导丝、导管的作用。

5、压丝装置可以实时对导丝、导管进行压丝的动作，确保导丝、导管到达的位置精准，解放了医生手动压丝的动作，避免医生长时间压丝带来的操作疲劳，设计中两块夹板沿着直线运动实现电磁夹的开合，其与腔体之间安装有交叉滚子导轨，既限制了运动方向，又使得整体结构更加紧凑。通过设计的楔形块结构的上下运动，推动两块夹板水平运动，楔形块既实现了垂直方向运动的转化，同时也保证了两块夹板运动的对称性。

6、床边定位装置分为X轴移动装置和Y轴移动装置两部分，通过两个方向的移动可以调整介入手术机器人的位置，以适应对患者不同身***置的导丝导管介入动作。

附图说明

图1是血管介入手术机器人整体结构示意图

图2是血管介入手术机器人推进装置详细结构示意图

图3是血管介入手术机器人捻旋装置外部结构示意图

图4是血管介入手术机器人捻旋装置内部结构示意图

图5是血管介入手术机器人捻旋装置剖面结构示意图

图6是血管介入手术机器人导丝引导装置详细结构示意图

图7是血管介入手术机器人压丝装置剖面结构示意图

图8是血管介入手术机器人床边定位装置X轴移动装置结构示意图

图9是血管介入手术机器人床边定位装置Y轴移动装置结构示意图

附图标记：

1、推进装置；2、捻旋装置；3、导丝引导装置；4、压丝装置；5、为床边定位装置；1-1、滚珠丝杠；1-2、直线导轨；1-3、联轴器；1-4、丝杆固定支座；1-5、导轨滑块；1-6、直线导轨安装座；1-7、电机架；1-8、丝杠螺母滑台；1-9、驱动电机；1-10、主体壳；2-1、上封装外壳；2-2、下封装外壳；2-3、安装底座；2-4、步进电机；2-5、小齿轮；2-6、二指卡盘移动指；2-7、二指卡盘；2-8、轴承端盖；2-9、滚针轴承；2-10、角接触球轴承；2-11、套筒；2-12、平键；2-13、大齿轮；2-14、手轮；2-15、卡盘轴；2-16、大齿轮轴；3-1、驱动电机；3-2、引导装置支承；3-3、直线导轨；3-4、导轨滑块；3-5、引导轮支承；3-6、引导轮；3-7、一次性轮套；3-8、凸轮轴；3-9、凸轮；4-1、两块夹板；4-2、腔体；4-3、电磁线圈；4-4、平板；4-5、下腔体；4-6、滚针；4-7、4-8、交叉滚子导轨；4-9、楔形块；4-10、复位弹簧；5-1、轴承座；5-2、导轨；5-3、滚珠丝杠；5-4、螺母滑块；5-5、挡板；5-6、驱动电机；5-7、XY轴移动装置连接架；5-8、固定座；5-9、丝杠；5-10、螺母滑块；5-11、手轮；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1:

结合图1说明血管介入手术机器人各模块安装位置：介入手术机器人递送装置由1推进装置、2捻旋装置、3导丝引导装置、4压丝装置以及5、为床边定位装置构成。捻旋装置安装在推进装置的滑台上，导丝引导装置安装在推进装置滑动导轨的最前端与捻旋装置位于同一高度，压丝装置位于和导丝引导装置、捻旋装置同一高度侧面，床边定位装置一端连接手术机器人工作部分一端连接在手术台的侧面。通过各个功能模块的协调作用可以有效实现导丝导管介入血管。

实施例2：

实施例2是在实施例1的基础上，结合图2说明推进装置的结构：驱动电机1-9正转，带动联轴器1-3旋转，联轴器1-3带动滚珠丝杠1-1旋转，丝杠1-1旋转带动丝杠螺母及滑块1-5和滑台1-8向前运动，实现导丝推送的动作，滑台1-8通过螺钉连接安装在滑块1-5上，滑块1-5与直线导轨1-2配合，以保证滑台1-8沿直线运动；驱动电机1-9反转，滑台1-8向后运动，实现导丝回拉的动作。推进装置使用步进电机驱动滚珠丝杠的旋转带动滑台的移动，使用直线导轨进行周向限位和轴向导向，可以实现导管导丝沿直线方向的准确前进和后退。

实施例3：

实施例3是在实施例2的基础上，图3和图4说明了捻旋装置的安装位置和外部结构：捻旋装置2与推进装置的滑台1-8相连，使用长螺栓将连接底座安装在滑台1-8上，其上封装外壳2-1和下封装外壳2-2均为塑料结构通过卡口相连接。捻旋装置2安装在滑台1-8上可以与推进装置在空间上同步前后移动。

实施例4：

实施例4是在实施例3的基础上，结合图5说明捻旋装置的结构：步进电机2-4带动小齿轮2-5旋转，小齿轮2-5与大齿轮2-13外啮合，大齿轮2-13与大齿轮轴2-16通过平键1-12配合，卡盘轴2-15穿过大齿轮轴2-16，两轴当中安装有两个滚针轴承2-9以保证其同轴度，手轮2-14用于控制前端二指卡盘2-7，二指卡盘2-7旋转使得两个二指卡盘移动指2-6上下开合，进行夹紧与松开，轴承端盖2-8与套筒2-11用于轴系限位，两对角接触球轴承2-10用于支承与受力。捻旋装置可以很好的实现导管导丝的旋转运动，较高的还原了人手操作的搓捻动作。

实施例5

实施例5是在实施例4的基础上，图6说明了导丝引导装置的详细结构：引导装置3安装于血管介入手术机器人的最前端与捻旋装置位于同一高度。可以有效的起到引导导丝导管平顺的进行直线移动，同时起到了支撑导丝导管的作用。驱动电机3-1通过凸轮轴3-8与凸轮3-9相连，控制其转动。直线导轨3-3安装于引导装置支承3-2上，导轨滑块3-4与直线导轨3-3配合，引导轮支承3-5与导轨滑块3-4相连，一对引导轮3-6与引导轮支承3-5装配；引导轮支承3-5的下端伸出处与凸轮3-9相切，当凸轮3-9转动的时候，引导轮支承3-5沿直线导轨3-3直线移动，进行调距；一次性轮套3-7安装于引导轮3-6外侧以保证清洁无菌。通过设计的凸轮结构可以对中心距进行控制，其中心距调整范围为0.3mm至3mm，两个滚轮安装在直线导轨上，保证其只沿直线方向运动。

实施例6

实施例6是在实施例5的基础上，图7说明了压丝装置的详细结构：压丝装置4安装于血管介入手术机器人的前端、导丝引导装置3的侧后方。在引导导丝到达病灶之后，压丝装置4可以有效保证导丝末端位置不变。解决了医生在人工手术操作中医生边移动导丝边进行压丝的操作，避免医生过度操作带来的疲劳，保证了手术成功。两块夹板4-1沿直线运动实现电磁夹的开合，其与腔体4-2之间安装有交叉滚子导轨4-7、4-8。楔形块4-9沿Z轴上下移动，带动两块夹板4-1分别向两侧完成开合，楔形块4-9既实现了垂直方向运动的转化，同时也保证了两块夹板运动的对称性。楔形块4-9底端安装有一块平板4-4，平板4-4的两侧分别安装有衔铁，在下腔体4-5的对应位置安装了电磁线圈4-3，平板另一侧的对应位置连接着复位弹簧4-10。当线圈通电时，衔铁由于电磁吸引带动楔形块4-9向上运动，此时两块夹板4-1靠拢，电磁夹处于“合”的状态；当线圈断电时，衔铁不再受到电磁吸引力，复位弹簧4-10拉动楔形块4-9向下运动，两块夹板4-1此时向两侧移动，电磁夹处于“开”状态。设计中两块夹板沿着直线运动实现电磁夹得开合，其与腔体之间安装有交叉滚子导轨，既限制了运动方向，又使得整体结构更加紧凑。

实施例7

实施例7是在实施例6的基础上，结合图8说明床边定位装置中X轴移动装置的结构：驱动电机5-6带动滚珠丝杠5-3转动，丝杠5-3转动带动螺母滑块5-4前后移动，丝杠后端通过联轴器与驱动电机5-6连接，其前端与轴承座5-1连接，进行固定与支承，挡板5-5安装于丝杠上端，用于保护传动结构。在驱动电机5-6的驱动下，装置可以实现在X方向的平稳移动到合适的位置。

实施例8

实施例8是在实施例7的基础上，结合图9说明床边定位装置中Y轴移动装置的结构：手轮5-11转动带动丝杠5-9转动，丝杠5-9转动带动螺母滑块5-10前后移动，丝杠后端直接与手轮5-11连接，其前端与固定座5-8连接，进行固定与支承，固定座5-8安装于XY轴移动装置连接架5-7上。通过转动手轮5-11，装置可以实现在Y方向的平稳移动到合适的位置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种血管介入手术机器人，其特征在于：包括推进装置、捻旋装置、导丝引导装置、压丝装置以及床边定位装置五个功能模块；捻旋装置安装在推进装置的滑台上，导丝引导装置安装在推进装置滑动导轨的最前端与捻旋装置位于同一高度，压丝装置位于和导丝引导装置、捻旋装置同一高度侧面，床边定位装置一端连接手术机器人工作部分另一端连接在手术台的侧面。

2.根据权利要求1所述的血管介入手术机器人推进装置，其特征在于推进装置主要包括：滚珠丝杠、直线导轨、步进电机及滑台四个部分；驱动电机(1-9)通过螺钉连接固定在电机架(1-7)上，电机架(1-7)通过长螺栓连接固定在主体底(1-10)底面上，联轴器(1-3)一端连接驱动电机(1-9)输出轴，联轴器(1-3)另一端连接滚珠丝杠(1-1)，滚珠丝杆(1-1)两端均套在带有轴承结构的丝杆固定支座(1-4)上，丝杆固定支座(1-4)通过长螺栓固定在主体壳(1-10)底面上，丝杠螺母滑台(1-8)通过螺钉固定在导轨滑块(1-5)上，导轨滑块(1-5)与直线导轨(1-2)配合滑动。

3.根据权利要求1所述的血管介入手术机器人捻旋装置，其特征在于：捻旋装置包括旋转装置与导丝夹紧装置两部分；步进电机(2-4)带动小齿轮(2-5)旋转，小齿轮(2-5)与大齿轮(2-13)外啮合，大齿轮(2-13)通过平键(2-12)配合连接安装在大齿轮轴(2-16)上，卡盘轴(2-15)穿过大齿轮轴(2-16)，两轴中安装有两个滚针轴承(2-9)以保证其同轴度，手轮(2-14)间隙配合安装在卡盘轴(2-15)末端，用于控制前端二指卡盘(2-7)，二指卡盘(2-7)旋转使得两个二指卡盘移动指(2-6)上下开合，进行夹紧与松开，轴承端盖(2-8)与套筒(2-11)用于轴系限位，两对角接触球轴承(2-10)用于支承与受力。

4.根据权利要求1所述的血管介入手术机器人导丝引导装置，其特征在于：引导装置位于介入手术机器人的最前端；驱动电机(3-1)通过凸轮轴(3-8)与凸轮(3-9)相连；直线导轨(3-3)安装于引导装置支承(3-2)上，导轨滑块(3-4)与直线导轨(3-3)配合，引导轮支承(3-2)与导轨滑块(3-4)相连，一对引导轮(3-6)与引导轮支承(3-5)装配；引导轮支承(3-5)的下端伸出处与凸轮(3-9)相切，当凸轮(3-9)转动的时候，引导轮支承(3-2)沿直线导轨(3-3)直线移动，进行调距；一次性轮套(3-7)套在引导轮(3-6)外侧。

5.根据权利要求1所述的血管介入手术机器人压丝装置，其特征在于：压丝装置主要结构组成包括二指夹、楔形块、电磁铁；其中二指夹通过电磁铁控制，两个移动指与电磁铁之间通过楔形块连接传动；两块夹板(4-1)沿直线运动实现电磁夹的开合，其与腔体(4-2)之间安装有交叉滚子导轨(4-7、4-8、),楔形块(4-9)沿Z轴上下移动，带动两块夹板(4-1)分别向两侧完成开合,楔形块(4-9)底端安装有一块平板(4-4)，平板(4-4)的两侧分别安装有衔铁，在下腔体(4-5)的对应位置安装了电磁线圈(4-3)，平板(4-4)另一侧的对应位置连接着复位弹簧(4-10),当线圈通电时，衔铁由于电磁吸引带动楔形块(4-9)向上运动，此时两块夹板(4-1)靠拢，电磁夹处于“合”的状态；当线圈断电时，衔铁不再受到电磁吸引力，复位弹簧(4-10)拉动楔形块(4-9)向下运动，两块夹板(4-1)此时向两侧移动，电磁夹处于“开”状态。

6.根据权利要求1所述的血管介入手术机器人床边定位装置，其特征在于：床边定位装置分为X轴移动装置和Y轴移动装置两部分；其安装于介入手术台边,驱动电机(5-6)带动滚珠丝杠(5-3)转动，丝杠(5-3)转动带动螺母滑块(5-4)前后移动，丝杠后端通过联轴器与驱动电机(5-6)连接，其前端与轴承座(5-1)连接，进行固定与支承，挡板(5-5)安装于丝杠上端,在驱动电机(5-6)的驱动下，装置可以实现在X方向的平稳移动到合适的位置；手轮(5-11)转动带动滚珠丝杠(5-9)转动，丝杠(5-9)转动带动螺母滑块(5-10)前后移动，丝杠后端直接与手轮(5-11)连接，其前端与固定座(5-8)连接，进行固定与支承，固定座(5-8)通过螺栓螺母连接安装于XY轴移动装置连接架(5-7)上,通过转动手轮(5-11)，装置可以实现在Y方向的平稳移动到合适的位置。

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